MVB多协议通信网关的设计

论文摘要

如今,随着国内外高速铁路和高速列车的突飞猛进和分布式网络控制系统的发展,列车通信网络TCN已广泛应用于世界各国的各种新型列车上。在我国自主研发的5种系列和谐号CRH动车组中,其中就有3种采用了TCN网络控制技术。MVB通信网关作为TCN通信网络中的重要组成部分,但它在国内的研究与应用却长期面临着国外厂家的技术封锁和市场垄断。并且,由于各轨道交通设备生产商之间的技术标准差异,很多车载设备不支持MVB总线通信功能,使得MVB网关有着广阔的应用需求,而已有的MVB网关大多只具有单一的协议转换功能,这不仅违背了列车总线的开放性原则,还影响了MVB网关的兼容性发展。在这样的研究背景和应用环境下,本课题参照TCN网络通信标准IEC61375-1,结合当今的无线通信热点Wi-Fi以及在列车中已普及应用的CAN现场总线、RS-485和RS-232总线,提出了一种MVB多协议通信网关的设计方案。本文首先概述了TCN和MVB网关的总体发展状况,然后深入研究了MVB多协议通信网关中所涉及到的关键技术,尤其是MVB实时协议中的过程数据通信；最后详细分析了多协议网关的软硬件设计实现。其中,在硬件部分,本设计利用了目前较小的可嵌入式MVB通信板卡SSMV62AD和意法半导体公司的低功耗高性能ARM处理器STM32F103ZET6,设计并调试通过了MVB多协议网关的PCB硬件电路板。而在软件设计过程中,本课题始终围绕着MVB过程数据链路层通信的实时性和可靠性原则,提出了列车网关宿端口机制、设备网关源端口机制以及偶发相中数据集的周期性触发访问机制,并针对Wi-Fi无线通信中UDP传输的不可靠性,在TCP通信协议的超时重传、滑动窗口、后退n协议应答的基础上进行了UDP数据包的高效可靠传输改进；而且总结出了本文所涉及的不同总线数据传输特性,并依此在μC-OSⅡ实时操作系统中实现了MVB与四种总线之间的协议相互转换功能,完成了多协议网关中可实时调度的多任务应用程序设计。最后为检测多协议网关的基本数据通信能力,本设计针对CRH1型动车组运行过程中可能会发生的故障信息,在基于Intel Atom D510处理器的LAB-8902教学实验平台和Linux操作系统中搭建了CRH1型动车组故障模拟系统；同时,本文详细剖析了MVB多协议网关的具体性能测试内容和测试方法,并给出了相关的测试结果和性能参数分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 列车通信网络的国内外现状
• 1.2.2 MVB多协议网关的研究现状
• 1.3 课题研究目的和方法
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究方法
• 1.4 课题主要研究内容和论文结构
• 第2章 MVB多协议通信网关中的关键技术
• 2.1 多功能车辆总线
• 2.1.1 MVB在TCN体系结构中的层次
• 2.1.2 MVB总线中的数据类型
• 2.1.3 MVB总线中的设备类型
• 2.1.4 实时协议
• 2.1.5 RTP中的变量通信
• 2.1.5.1 变量的存储及访问
• 2.1.5.2 过程数据帧结构
• 2.1.5.3 变量的源寻址周期性广播通信
• 2.2 Wi-Fi无线局域网
• 2.2.1 Wi-Fi无线局域网拓扑结构
• 2.2.2 IEEE802.11网络层次结构
• 2.2.3 MAC帧类型及结构
• 2.3 CAN现场总线
• 2.3.1 CAN总线通信模型
• 2.3.2 CAN帧类型及结构
• 第3章 MVB多协议通信网关的硬件设计
• 3.1 MVB多协议网关硬件总体设计
• 3.1.1 需求分析
• 3.1.2 主处理器及外设选型
• 3.1.3 硬件结构框图及硬件设计重难点工作
• 3.2 STM32103FZET6核心系统设计
• 3.2.1 STM32103FZET6最小系统
• 3.2.2 外设地址映射及片选信号扩展
• 3.2.3 外部扩展SRAM存储器的电路
• 3.2.4 外部扩展NOR FLASH存储器的电路
• 3.3 基本通信功能电路
• 3.3.1 MVB板卡驱动电路
• 3.3.2 Wi-Fi板卡接口电路
• 3.3.3 CAN现场总线电路
• 3.3.4 RS-485接口电路
• 3.3.5 RS-232通信电路
• 3.4 扩展功能接口电路
• 3.4.1 以太网通信电路
• 3.4.2 USB主机驱动电路
• 3.4.3 USB设备接口电路
• 3.5 待转换协议选择及性能测试复用电路
• 3.6 人工交互接口电路
• 3.6.1 3.0寸TFT液晶触摸屏驱动电路
• 3.6.2 五向方向键驱动电路
• 3.7 仿真调试接口电路
• 3.8 系统电源设计
• 3.9 MVB多协议通信网关PCB设计
• 第4章 MVB多协议通信网关的软件设计
• 4.1 MVB多协议网关软件总体设计
• 4.1.1 软件设计目标及关键机制
• 4.1.2 网关软件层次架构
• 4.1.3 软件设计重点及难点工作
• 4.2 两种MVB端口机制的周期性访问实现
• 4.2.1 SSMV62AD初始化及端口机制的建立
• 4.2.1.1 SSMV62AD初始化
• 4.2.1.2 端口机制的建立方法
• 4.2.2 源端口数据集的发送
• 4.2.3 宿端口数据集的接收
• 4.2.4 偶发相中数据集的周期性触发访问
• 4.2.4.1 数据集的偶发相周期性访问机制
• 4.2.4.2 基本周期扫描列表的建立及数据集的周期访问实现
• 4.3 Wi-Fi无线板卡UDP通信的可靠传输实现
• 4.3.1 UDP数据包高效可靠传输改进
• 4.3.2 无线板卡UDP通信初始化
• 4.3.3 UDP数据包的可靠发送
• 4.3.4 UDP数据包的可靠接收
• 4.4 CAN现场总线的报文处理
• 4.4.1 bxCAN初始化设置
• 4.4.2 bxCAN的报文发送
• 4.4.3 bxCAN的报文接收
• 4.5 RS-232及RS-485总线的可靠通信
• 4.6 系统服务驱动程序的设计
• 4.6.1 外部扩展SRAM的访问
• 4.6.2 外扩NOR FLASH的读写
• 4.6.3 3.0寸TFT液晶触摸屏的图文显示
• 4.6.4 五向方向键的软件滤波实现
• 4.7 MVB与其它总线的协议转换设计
• 4.8 网关多任务应用程序设计
• 第5章 MVB多协议网关的性能测试
• 5.1 CRH1型动车组故障模拟系统的建模
• 5.1.1 故障模拟系统模型结构
• 5.1.2 CRH1型动车组故障模拟类型
• 5.2 网关性能测试内容及测试方法
• 5.2.1 网关性能测试内容
• 5.2.2 网关性能测试方法
• 5.3 MVB主、从节点故障模拟功能实现
• 5.3.1 MVB主、从节点的软件设计开发
• 5.3.2 逻辑端口设计及周期扫描表的配置
• 5.4 多协议测试终端的软硬件设计
• 5.5 MVB多协议网关的测试及性能分析
• 5.5.1 模拟系统中多协议网关配置
• 5.5.2 MVB多协议网关测试结果
• 5.5.3 MVB多协议网关性能分析
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及科研成果